基于虛擬實驗平臺的模擬電子技術(shù)課程設(shè)計開發(fā)與仿真

基于模擬電子技術(shù)課程設(shè)計是電類專業(yè)學(xué)生重要實踐環(huán)節(jié)的目的，通過介紹模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計思路，結(jié)合音頻信號發(fā)生器的設(shè)計實例，基于虛擬實驗平臺進(jìn)行設(shè)計及仿真，得到了振蕩器起振及等幅振蕩過程的正確結(jié)果。使學(xué)生能夠鞏固和運用在《模擬電子技術(shù)》中所學(xué)的理論知識和實驗技能，基本掌握常用模擬電路的一般設(shè)計方法，通過動腦動手解決實際問題，提高設(shè)計能力和動手能力，拓寬學(xué)生知識面，為后續(xù)課程、各類電子競賽，畢業(yè)設(shè)計乃至畢業(yè)后的工作打下良好的基礎(chǔ)。


在大學(xué)開設(shè)的相關(guān)課程中，有不少電子技術(shù)方面的實驗內(nèi)容，但這些基礎(chǔ)實驗的著眼點是放在驗證基本理論和電路性能上。學(xué)生通過這樣的實驗只能初步了解電路實驗的步驟和基本方法，熟悉常用實驗設(shè)備的使用方法，卻很難有條件訓(xùn)練學(xué)生動手解決電路問題的能力。而模擬電子技術(shù)課程設(shè)計正是為學(xué)生創(chuàng)造一個動手又動腦，獨立開展模擬電子系統(tǒng)設(shè)計的機(jī)會。學(xué)生可以運用實驗手段檢驗理論設(shè)計中的問題所在，又可運用學(xué)過的知識，指導(dǎo)電路調(diào)試工作，使電路功能更加完善，從而使理論和實際有機(jī)地結(jié)合起來，鍛煉分析并解決電路問題的實際本領(lǐng)，真正實現(xiàn)由知識向能力的轉(zhuǎn)化。

1模擬電子系統(tǒng)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無論是在生產(chǎn)還是生活中，人們越來越多地使用一些模擬電子設(shè)備和裝置，如：擴(kuò)音機(jī)、錄音機(jī)、示波器、正弦信號發(fā)生器、報警器、溫控裝置等。盡管用途不同，但從工作原理來看，有著共同之處：1）需要輸入一種連續(xù)變化的電信號。這種連續(xù)變化的電信號稱之為模擬信號，模擬信號可以由專門的部件（通常為傳感器）把非電的物理量轉(zhuǎn)換為電量，例如：話筒、磁頭、熱敏器件、光敏器件等。也有些設(shè)備無需這種轉(zhuǎn)換，而是直接由探頭輸入或電路本身產(chǎn)生電信號，如示波器，信號源等。

2）必須把得到的電信號進(jìn)行放大或者變換。通過放大或變換，使信號具有足夠大的能量，為實現(xiàn)人們所預(yù)期的功能服務(wù)。

3）設(shè)置了不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠把傳來的電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，如喇叭、電鈴、繼電器、示波器、表頭等，以完成人們需要的功能。

模擬電子系統(tǒng)中，無論是傳感器送來的電信號，還是直接輸入或電路本身產(chǎn)生的電信號一般都是十分微弱的，往往不能推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，而且有時信號的波形也不符合執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求，所以需要對這種信號進(jìn)行放大或者變換，才能保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的正常工作?？梢?，信號放大和信號變換是模擬電子系統(tǒng)的核心。

隨著生產(chǎn)工藝水平的提高，線性集成電路和各種具有專用功能的新型元器件迅速發(fā)展起來，給模擬電子系統(tǒng)設(shè)計工作帶來了很大的變革。但是，從我國現(xiàn)有的條件來看，集成元件的生產(chǎn)，無論品種還是數(shù)量，還不能滿足電子技術(shù)發(fā)展的需求，所以，分立元件的電路還在大量的應(yīng)用。而這種分立件電路的設(shè)計方法，主要是運用基本單元電路的理論和分析方法，比較容易為初學(xué)設(shè)計者所掌握。另外，有助于學(xué)生熟悉各種電子器件，掌握電路的設(shè)計基本程序和方法，學(xué)會布線、組裝、測量、分析、調(diào)試等基本技能。理論知識告訴我們，任何復(fù)雜的電路，都是由簡單的單元電路組合而成的。所以，要設(shè)計一個復(fù)雜的模擬電子系統(tǒng)，可以分解為若干具有基本功能的電路，如放大器、振蕩器、整流器、波形變換電路等，然后分別對這些單元電路進(jìn)行設(shè)計。使一個復(fù)雜任務(wù)，變成簡單任務(wù)，利用我們學(xué)過的知識即可完成。

2虛擬實驗平臺在模擬電子系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

電子系統(tǒng)的設(shè)計是一個不斷調(diào)試的過程。在實物上調(diào)試往往消耗大量人力、物力和財力。而且受到實驗環(huán)境的影響，某些功能未能全部實現(xiàn)。在實驗硬件環(huán)境不具備的情況下，采用虛擬實驗平臺軟件進(jìn)行模擬電子系統(tǒng)的設(shè)計可有效解決這一問題。EDA（電子輔助設(shè)計）軟件很多，廣泛采用的有Multisim、PSPICE、PROTEL等。這些軟件都有較強(qiáng)的功能，一般可用于電路設(shè)計與仿真，同時也可以進(jìn)行PCB（印刷電路板）自動布局、布線，輸出多種網(wǎng)表文件。其中，Multisim仿真軟件相對其它EDA軟件而言，功能卜分強(qiáng)大，可以仿真出真實電路的結(jié)果。而且提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃描儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具。它不僅繼承了以往仿真軟件具有的界面直觀、操作方便、使用直觀的虛擬儀表的優(yōu)點，還將最新的安捷倫測試儀及泰克示波器等引入虛擬儀器中。其控制面板、界面操作以及測量結(jié)果與實際的儀器完全相同，用戶使用Multisim10如同在實驗室進(jìn)行操作一般。這樣就可以有效的解決實驗條件不足的問題，并且可將集中進(jìn)行的課程設(shè)計分散進(jìn)行，便于老師的指導(dǎo)與調(diào)試。作為虛擬的電子工作平臺，Multisim10提供了詳細(xì)的電路分析手段，可完成電路的直流靜態(tài)工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析等，有助于分析電路性能。

3模擬電子系統(tǒng)設(shè)計實例——音頻信號發(fā)生

音頻信號發(fā)生器是指能夠產(chǎn)生音頻范圍的正弦信號的儀器。音頻信號的頻率范圍一般是幾十到幾十kHz，音頻信號發(fā)生器是模擬電子線路實驗中不可缺少的設(shè)備之一，在實踐和科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如電子電路、自動控制和科學(xué)實驗等領(lǐng)域。自行設(shè)計和制作一個能產(chǎn)生音頻信號的電路，不僅能運用所學(xué)知識，學(xué)會設(shè)計簡單電路的技能，而且對電子技術(shù)實驗有著很大的實用價值。

3.1方案比較

一般要產(chǎn)生幾十kHz以下的正弦信號，常用的信號發(fā)生器多是由模擬電路構(gòu)成的，包括正弦波振蕩器和穩(wěn)幅電路兩大模塊。其中正弦波振蕩器有LC振蕩器，石英晶體振蕩器，RC振蕩器。LC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以上的正弦信號，RC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以下的正弦信號，石英晶體振蕩器用于產(chǎn)生頻穩(wěn)度較高的正弦信號。

經(jīng)性能比較，RC振蕩器較為合適。RC振蕩器可分為相移式振蕩電路，串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路，雙T選頻網(wǎng)絡(luò)振蕩電路等。其中RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路由放大器和正反饋網(wǎng)絡(luò)兩部分組成，由于能得到頻率范圍較寬、波形較好，且連續(xù)可調(diào)的振蕩信號，其結(jié)構(gòu)簡單又經(jīng)濟(jì)方便，因此應(yīng)用最為普遍。因為這種振蕩器，選頻網(wǎng)絡(luò)和負(fù)反饋電路正好形成一個四臂電橋振蕩器，又被稱為文氏電橋。用有恒流源負(fù)載的射極輸出器，設(shè)計出頻率范圍在200 Hz-20 kHz，電壓輸出2 V并且連續(xù)可調(diào)的信號發(fā)生器。

3.2系統(tǒng)設(shè)計

3.2.1放大電路的設(shè)計

放大環(huán)節(jié)是振蕩電路的核心。它的放大倍數(shù)和頻率響應(yīng)直接影響著起振條件和振蕩器的穩(wěn)定性。為了保證具有較高的開環(huán)增益，較好的頻率響應(yīng)，本設(shè)計中選用了LM324AJ集成運放作放大環(huán)節(jié)。它是一種應(yīng)用非常廣泛的通用型運算放大器。由于采用了有源負(fù)載，所以只要兩級放大就可以達(dá)到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍。本電路采用內(nèi)部補(bǔ)償，電路比較簡單不易自激，工作點穩(wěn)定，使用方便，而且設(shè)計了完善的保護(hù)電路，不易損壞。

3.2.2穩(wěn)幅電路的設(shè)計

穩(wěn)幅的基本原理就是把信號放大要足夠大，再通過限幅方式保證輸出幅度一致，如果限幅后的信號不滿足要求，則再通過信號調(diào)整電路來輸出滿足要求的等幅信號。用雙向穩(wěn)壓二極管穩(wěn)幅是最簡單的方式。本設(shè)計中由于電源電壓的波動、電路參數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化等因素的影響，將使輸出幅度不穩(wěn)定。采用一般的電阻引入負(fù)反饋穩(wěn)幅還不夠，常用方法之一是采用非線性熱敏元件來穩(wěn)幅。如負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，就可實現(xiàn)穩(wěn)幅。

3.2.3選頻網(wǎng)絡(luò)及正反饋網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

正反饋電路主要是由文氏電橋組成。當(dāng)振蕩器穩(wěn)定工作時，文氏橋正反饋系數(shù)F=1/3要保證電路穩(wěn)定工作。

振蕩器的振蕩頻率主要由RC值決定的。本設(shè)計要求f=200 Hz～20 kHz，當(dāng)確定C后，改變R值從最小到最大，應(yīng)滿足200 Hz～2 kHz或2～20 kHz的頻率范圍。若低頻端達(dá)不到阻值。若高頻率達(dá)不到要求，則可適當(dāng)減小串聯(lián)電阻680Ω的阻值。當(dāng)選定C后，應(yīng)通過改變R實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。R的最小值受運放輸出阻抗控制，最大值受分壓器的值限制。當(dāng)選用雙連電位器來調(diào)節(jié)頻率時，其上下頻率范圍如果選的頻率覆蓋太寬，不僅受上述電阻值限制，而且調(diào)節(jié)也不方便。本題中可選取兩個電容值作為粗調(diào)，再求出R的變化范圍，用電位器實現(xiàn)細(xì)調(diào)。正弦波振蕩器的振蕩頻率為。

此處選取C為0.1μF時，分別求出對應(yīng)f在200Hz～2 kHz；2～20 kHz的電阻值。

選取680Ω電阻同8.2 kΩ雙連電位器串聯(lián)實現(xiàn)電阻調(diào)節(jié)。

3.2.4電路原理圖及參數(shù)電路原理圖

如圖1所示，電路參數(shù)如表1所示。

3.3系統(tǒng)仿真與調(diào)試

3.3.1振蕩器電路

粗調(diào)振蕩電路如果設(shè)計和安裝無誤，接通電源即應(yīng)起振。C3輸出端可以得到正弦信號，若無震蕩波形，一般有2個原因：一是無正反饋，二是閉環(huán)放大倍數(shù)小。首先檢查正反饋支路是否接通，元件是否連接正確。然后則可增大R1，提高閉環(huán)增益。若仍不起振，則應(yīng)檢查運算放大器性能是否正常。如果增大R1后電路起振，說明負(fù)反饋太大，可適當(dāng)加大R1使振蕩波形穩(wěn)定。正常情況下，改變R1能控制輸出幅度，調(diào)節(jié)雙連電位器能改變頻率，并且波形無明顯失真。

振蕩電路基本上正常工作后，測試射極輸出器靜態(tài)工作點是否與設(shè)計值相符。T2、T3均應(yīng)處在導(dǎo)通狀態(tài)，VCQ3=8 V，若有偏離可適當(dāng)調(diào)節(jié)R6.靜態(tài)調(diào)好后，連通C3，輸出端應(yīng)有完好的正弦波形。若出現(xiàn)波形失真，說明射極輸出器靜態(tài)工作不適合，需要重新調(diào)試。

3.3.2振蕩頻率調(diào)節(jié)

振蕩器的頻率主要由RC值決定的。當(dāng)確定C后，改變R值從最小到最大，應(yīng)滿足200 Hz～2 kHz或2～20 kHz的頻率范圍。若低頻端達(dá)不到要求，說明R4+R5對Rmax的旁路作用大，應(yīng)適當(dāng)加大R4+R5的阻值。若高頻率達(dá)不到要求，則可適當(dāng)減小串聯(lián)電阻680Ω的阻值。

3.3.3調(diào)節(jié)幅頻特性

一個性能良好的振蕩器一定要有好的幅頻特性。即在調(diào)節(jié)振蕩頻率時，輸出電壓的幅度保持不變。若隨著振蕩頻率的改變，輸出幅度有些變化時，可能有以下幾方面原因：1）雙連電位器不能嚴(yán)格同步。如果在調(diào)節(jié)電位器時，在不同的角度，2個阻值不相等，即文氏電橋中串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中電阻R和并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的R不相等，使其傳輸系數(shù)，正反饋加強(qiáng)，輸出幅度Vopp加大；若，正饋減弱，輸出幅度Vopp減小。因此，幅頻特性變差。可見，一定要選擇能嚴(yán)格同步改變阻值的雙連電位器。

2）放大環(huán)節(jié)高頻特性不好。首先運算放大器高頻特性不好，就會隨頻率的升高，使Vopp減小。另外，運算放大器輸入電容太大，當(dāng)f= fmax時，由于這一電容的旁路作用，使正反饋減弱，從而使高頻時Vopp降低，所以在選擇運算放大器時，一定要保證高頻特性好，同時要輸入電容小的器件。

3）R4+R5阻值不夠大。R4+R5應(yīng)當(dāng)選大于串并聯(lián)網(wǎng)路中的阻值最大值。這樣才可以忽略其對網(wǎng)絡(luò)旁路作用，尤其隨著振蕩頻率下降，R值較大時，R4、R5旁路作用嚴(yán)重。所以文式電橋傳輸系數(shù)使輸出幅度隨頻率下降而上升。此時，應(yīng)R4+R5盡量大一些。

4）調(diào)節(jié)輸出幅度和波形輸出幅的VOPP主要由場效應(yīng)管偏壓VGS和檢波二極管正向壓降以及分壓電阻R2、R3來決定。從可知，當(dāng)VD，|VGS|確定后，提高輸出幅度可適當(dāng)減小分壓比。若R2、R3以及VD確定了，只好適當(dāng)選取零漂移點偏壓較大的場效應(yīng)管。

波形非線性失真的大小，通常與倍壓檢波輸出的紋波大小和場效應(yīng)管IDS～VDS曲線是否對原點對稱等因素有關(guān)。為降低振蕩波形的失真度，應(yīng)適當(dāng)加大檢波器的時間常數(shù)，選擇IDS～VDS比較理想的場效應(yīng)管。同時還要注意選擇轉(zhuǎn)換速率SK較高，高頻響應(yīng)較好的運算放大器，以便減小高頻時信號的非線性失真。如果輸出幅度Vopp太大，還會因運算放大器或射極輸出的動態(tài)范圍不夠而產(chǎn)生切波失真。此時，應(yīng)注意減輕負(fù)載或減小輸出幅度。

利用Multisim軟件進(jìn)行仿真分析，通過改變參數(shù)，得到需要的音頻信號。電路的起振過程及等幅振蕩過程如圖2和圖3所示。

4結(jié)束語

基于虛擬實驗平臺設(shè)計的音頻信號發(fā)生器能夠得到頻率范圍較寬、波形較好，穩(wěn)定度較高，而且振蕩頻率連續(xù)可調(diào)，更加實用。由于Multisim實用性強(qiáng)、界面簡捷，同時又具有電路仿真速度更快，界面更加合理等優(yōu)點，是在校大學(xué)生進(jìn)行模擬電子技術(shù)課程設(shè)計的有力工具。通過這種綜合訓(xùn)練，學(xué)生可以初步掌握電子系統(tǒng)設(shè)計的基本方法，也能夠提高動手組織實驗的基本技能，為以后進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計打下良好的基礎(chǔ)